Углеродные нанотрубки и сажа помогли покрасить автомобиль в суперчерный цвет

Китайские инженеры разработали суперчерное покрытие для автомобилей. Соединив частицы сажи и углеродные нанотрубки, они добились поглощения в 99,9 процента. Пигмент можно наносить стандартным распылением, а полученные поверхности стабильны в воде. Результаты исследования опубликованы в журнале Matter & Light.

Человеческий глаз воспринимает черными те объекты, которые поглощают излучение в видимом диапазоне. Суперчерные (с поглощением 99 процентов и выше) пигменты востребованы не только в живописи и дизайне, но и в различных оптических приборах — от солнечных элементов до телескопов. Но получить их не так просто, а еще сложнее — сделать стабильными. Нужно взять черный материал с высоким поглощением и сделать его поверхность рельефной: в этом случае фотон, который отразился от одного склона, может снова поглотиться на соседнем. Однако во время эксплуатации материала (например, загрязнений, мытья) рельеф постепенно сглаживается, и общее поглощение снижается. 

Простой способ получения суперчерных пигментов предложили китайские материаловеды из исследовательского отдела китайской компании Nippon Paint под руководством Чжи Вэй Лю (Zhiwei Liu). При разработке ученые постарались совместить высокое поглощение света с требованиями автопромышленности — простотой нанесения и стабильностью.

За основу взяли два хорошо поглощающих свет углеродных материала — сажу (carbon black) и многостенные углеродные нанотрубки (carbon nanotubes, CNT) длиной 20–50 микрометров. Компоненты смешивали в воде с диспергирующими добавками и несколько часов измельчали в мельнице до получения суспензии. При этом и CNT, и сажа дробились на более мелкие фрагменты — средний размер частиц в суспензии составил порядка одного микрометра. Авторы отмечают, что суспензия стабильна: добавка CNT предотвратила слипание наночастиц сажи в более крупные агломераты. 

Суспензию можно наносить на металлические пластины стандартным для автомобильной промышленности методом распыления. Микроскопия показала, что частицы сажи не распределяются случайным образом, а выстраиваются вдоль нанотрубок. Авторы объяснили такой эффект π-π-взаимодействием между углеродными структурами. В результате на поверхности образуется лес из преимущественно вертикально ориентированных CNT, покрытых частицами сажи, — это те самые микрорельефные оптические ловушки, которые необходимы для создания суперчерной поверхности. 

Так и получилось: слой толщиной в 20 микрометров поглощал 99,9 процента света в видимом диапазоне. Это очень достойный результат по сравнению с другими доступными пигментами. Окрашенные образцы выдерживали десять суток в воде при температуре 40 градусов Цельсия и две недели при влажности 95 процентов, сохранив адгезию к подложке. Однако сравнение оптических свойств до и после тестов авторы пока что не привели.

Простой в эксплуатации и недорогой суперчерный пигмент, который разработали инженеры, может быть востребован не только в автопромышленности, но и в других областях технологий и дизайна.

В 2024 году мы писали о другом супечерном материале на основе древесины липы. Канадские материаловеды обработали древесину плазменным пучком, чтобы сделать ее гидрофобной. Неожиданно поверхность поперечных срезов древесины стала еще более пористой, и поглощение видимом диапазоне поднялось до 99,3 процента, в том числе в ближней инфракрасной области.